Сотрудники Университета Райса в своей новой работе показали, что двухслойные нанотрубки могут быть перспективнее однослойных в электронике и фотоэлементах, обеспечивая более эффективное разделение зарядов в материале для получения электрического тока.

Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Nano Letters.

Углеродные нанотрубки представляют собой полые цилиндры диаметром от нескольких десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, стенки которых состоят из повторяющихся шестиугольных структур, составленных из атомов углерода. Такие материалы интересны ученым по многим причинам. Одна из них — перспективные электропроводящие свойства.

Другая заключается в том, что модификации таких нанотрубок могут быть прямозонными полупроводниками. Это значит, что в них может происходить рекомбинация электронов с дырками, происходящая с испусканием фотона. Также за счет особенностей структуры в углеродных нанотрубках (УНТ) может происходить и обратный процесс — поглощения фотона с высвобождением электрона и дырки. Такое поведение позволяет создавать на основе этих материалов солнечные элементы с достаточно высоким КПД.

В 2002 году исследователи показали, что разница между положительным и отрицательным полюсами, которая позволяет электрическому току течь через нанотрубку, линейно зависит от кривизны ее стенки. При этом ширина трубки задает эту кривизну. Тогда исследователи обнаружили, что чем тоньше нанотрубка (и, следовательно, больше кривизна), тем больше потенциальное напряжение, которое может быть создано между ее концами.

Все дело в том, что при создании УНТ, например, сгибанием графена, плотность зарядов, которая у изначального материала на концах была одинакова, в конечном счете нарушается. Таким образом изменяется его симметрия и баланс зарядов. Это создает флексоэлектрический эффект — появление электрического тока при изгибе объекта. Но при создании двухслойной нанотрубки — своего рода матрешки, в которой один слой УНТ вложен в другой, — баланс зарядов значительно усложняется.

В двухслойных нанотрубках кривизна внутренней и внешней трубок различна, что дает каждой из них отдельные энергетические уровни. Кроме того, модели показали, что флексоэлектрическое напряжение внешней стенки позволяет сдвинуть запрещенную зону так, что высший заполненный уровень располагается в стороне от низшего незаполненного. Это происходит при диаметре внешней трубки не менее 2,4 нанометра. Согласно ученым, структуры с более высокими диаметрами благодаря своим свойствам потенциально могут быть использованы для разделения зарядов в фотоэлектрических устройствах, в частности в солнечных панелях.